Cadence Visual System Simulator を活用した ASTRO による SDR 用キャリア基板設計の高速化

Slipstream Design の ASTRO Ecosystem プラットフォームは、広い瞬時帯域幅、チャネル拡張性、および再構成可能な信号処理を必要とするシステム向けに、ダイレクト RF サンプリングに基づく software-defined radio (SDR) アーキテクチャを提供しています。周波数変換および波形依存機能をデジタルドメインにより近づけることによって、このアーキテクチャは固定されたアナログ信号調整チェーンへの依存を低減し、複数の動作モードをサポートする共通ハードウェアプラットフォームを可能にします。このアプローチは、波形、周波数プラン、チャネル数、または処理機能の変更がハードウェア実装に大きく影響する可能性があるレーダー、戦術通信、信号情報、および航空宇宙システムに特に関連しています。

ASTRO は、高帯域幅 Software Defined Radio (SDR)、レーダー、RF ビームフォーミング、およびマルチチャネル RF 入力アプリケーション向けです。

Slipstream Design は、高速データコンバータ、プログラマブルロジック、および組み込み処理を単一の処理要素内に統合した AMD UltraScale+ RF-SoC デバイスを中心として ASTRO システムを設計しました。このアーキテクチャでは、RF 信号は RF-SoC コンバータによって直接デジタル化または生成される一方で、アプリケーション固有の RF フロントエンドモジュールが、特定の導入に必要な周波数変換、フィルタリング、増幅、およびインターフェース回路を提供します。その結果として得られる分割は、再利用可能なデジタル処理基盤を周波数依存およびアプリケーション依存の RF ハードウェアから分離します。このブログでは、 Cadence Visual System Simulator (VSS) を使用してそのような RFSoC ベースのダイレクトサンプリング SDR プラットフォームを実装することに関連する設計フローおよびシステムレベルのトレードオフについて説明します。

エンジニアリング上の課題:RF フロントエンドからデジタルドメインまで 

対象アプリケーション向けに必要な超低 SWaP-C (Size, Weight, Power, and Cost) を実現するために、エンジニアリングチームはコンバータ性能、デジタル信号処理要件、RF フロントエンド動作、相互接続による寄生成分、熱制約、および機械的フォームファクタを考慮する必要がありました。ASTRO の実装は、マルチチャネル送受信動作、モジュール式 RF フロントエンド接続、および RF-SoC 処理基盤と差し込み式 RF モジュール間で使用される高密度基板間および RF 相互接続を含む、これらの考慮事項のいくつかを示しています。

ASTRO 製品開発全体を通して、 Slipstream Design は RF およびデジタルドメイン両方にわたる主要な課題に対処するために Cadence VSS および Microwave Office を使用しました。RF 設計上の課題は、超広帯域送受信チェーン全体にわたる必要な利得平坦性およびフィルタ精度の達成から、高帯域幅を維持しながら低消費電力 RF フロントエンドの効率および線形性を管理することまで多岐にわたりました。

ハードウェア設計前に Cadence VSS によるシステムレベル解析を活用

これらの設計課題に対して、 Slipstream Design は15年以上にわたり Cadence RF システム設計ソフトウェアに依存しており、初期アーキテクチャから検証までの設計ライフサイクル全体を通して Cadence ソフトウェアを使用しています。 

設計サイクルの初期段階において、 Slipstream Design のエンジニアはリンクバジェット解析を実施し、 BER および EVM のようなシステム線形性指標を評価するとともに、信号チェーン全体での非線形相互作用によって生じるスプリアス信号を特定します。

Cadence VSS システムレベル回路図。

Cadence VSS は、利得、雑音指数、および歪みを含むカスケード RF チェーンを解析するための動作モデルブロックを使用して、完全な RF およびデジタル通信システムをモデル化する上で重要な役割を果たします。高帯域幅を維持しながら RF フロントエンドの低消費電力仕様を管理するために、 VSS および Microwave Office は、システムアーキテクチャおよび個々のコンポーネント性能が、雑音、線形性、利得、および消費電力のような相反するパラメータに与える影響を検討するために使用されます。

RF およびデジタルドメイン全体において、ダイレクト RF サンプリングでは、異なるナイキストゾーンおよびモデリング技法を用いた ADC および DAC の性能解析が必要になります。VSS は、高周波 RF 信号を入力し、ユーザー定義のダイナミックレンジおよびビット分解能に基づいて量子化する高度な ADC モデルを備えています。これにより、ダイレクト RF サンプリングに必要な周波数折り返し (アンダーサンプリング) プロセスが動的に処理されます。

複数の波形にわたって RF チャネルを同期することにより、 ASTRO エコシステムは高度なフェーズドアレイシステムおよび適応型デジタルビームフォーミングまたは空間フィルタリング技術の展開を可能にします。 これによりユーザーは、高い精度でレーダービームを動的にステアリングおよび形成でき、リアルタイムで目標検出、追跡、および干渉除去を改善できます。 

その結果として、オペレータはより高い状況認識能力、向上したレーダー感度および分解能、ならびにミッションの安全性および成功に不可欠な混雑環境または競合環境での性能向上の恩恵を受けます。VSS はフェーズドアレイおよびビームフォーミングの環境をサポートし、設計者がアンテナ性能および複数素子同期を評価することを可能にします。これは ASTRO のユースケースにとって重要です。 これにより、 Slipstream Design は設計プロセスの初期段階で RF チェーンのシステムレベルモデルを作成でき、ハードウェア投入前にアーキテクチャ上の意思決定リスクを低減できます。 

解析からシリコンへ:ループを閉じる 

Slipstream Design のワークフローにおいて最も注目すべき側面の1つは、解析と測定の間の密接なループです。  Cadence EDA ソフトウェアにより、 Slipstream Design は一貫して解析結果と測定結果の高い相関を実現しており、迅速な反復と対象を絞った設計最適化を可能にしています。 これは、システム、回路、および EM 解析を統合ワークフローへ統合する Cadence の intelligent system design イニシアチブの強みに合致しており、設計反復を削減し市場投入までの期間を短縮します。  

Cadence VSS における初期システムレベル検討と Microwave Office における詳細 RF 設計を組み合わせ、さらに実ハードウェア測定との継続的な相関を行うことによって、 Slipstream Design は ASTRO SDR キャリアボード開発サイクル全体にわたるリスクを低減することができました。その結果は、次世代レーダー、通信、および航空宇宙システムに求められる性能、拡張性、および SWaP-C の利点を維持しながら、進化するミッション要件に適応できる柔軟なダイレクトサンプリングプラットフォームです。複雑な RFSoC ベース SDR アーキテクチャを開発するエンジニアリングチームにとって、このワークフローは、統合 RF システム解析がコンセプトから展開まで設計信頼性をどのように加速できるかを示しています。

ビデオインタビュー:Slipstream Design の Managing Director である Philip Wilson は、チームが Cadence AWR ソフトウェアおよび Visual System Simulator (VSS) を使用して完全な RF からデジタルまでのシステムをモデル化し、複雑な RF およびデジタル設計課題を克服しながら、通信、レーダー、および信号情報アプリケーションにおけるイノベーションを加速する方法について説明しています。

Translator: Tsutomu Sugawara